SMART PEEK

un composite biocompatible intelligent avec des propriétés ostéoconductrices

Traduction Catherine Rossi

Pour les tableaux et photos se référer à l’article d’origine

M-F. Harmand(1), C. Sédarat(2), J-P. Cougoulic(3)(1) LEMI – Technopole Bordeaux-Montesquieu – Martillac – France, (2) Odontology –Bordeaux University – France, (3) Private Practice – Pornichet – France

Le polyétheréthercétone (PEEK) est un thermoplastique aromatique semi-cristallin rigide bien connu, utilisé depuis plus de 30 ans comme alternative aux alliages métalliques dans certains dispositifs orthopédiques (ex : cages de fusion vertébrale, fixation de fractures osseuses, …).

Le PEEK présente :

– D’excellentes propriétés mécaniques

– Une rigidité semblable à celle de l’os

– Une bonne biocompatibilité

Le PEEK est considéré comme relativement inerte dans un contexte biologique.

Mais, le PEEK présente de faibles propriétés ostéoconductrices, ce qui limite fortement son application dans le domaine des tissus durs.

Pour pallier ce manque d’efficacité, un »composite bioactif » à base de PEEK, le SMART PEEK a été développé par un mélange de 2 poudres céramiques dans une matrice de PEEK.

Les céramiques sont les suivantes :

– [Beta]-phosphate tricalcique(β-TCP)(14% p/v)

– Titania (dioxyde de titane-anatase)(TiO2)(8% p/v).

Les échantillons du matériau sont obtenus par moulage par injection en utilisant les conditions de traitement standard du PEEK.

La surface de l’échantillon est ensuite activée par un traitement chimique avant la stérilisation gamma.

Comme nous le verrons, aucun compromis n’est observé dans les propriétés mécaniques en échange de la bioactivité.

 

Qu’en est-il des propriétés mécaniques ?

Ce composite présente des propriétés mécaniques comparables à celles de l’os cortical humain.

Par exemple, son module d’élasticité est similaire à celui de l’os cortical humain.

 

Cf tableau1 sur pdf original PEEK COMPOSITE: Elastic modulus

Première partie

Études in vitro

Étude de cytocompatibilité : Première étude

– But de l’étude : mesurer in vitro si la différenciation des ostéoblastes est maintenue, inhibée ou stimulée en contact direct avec le matériel d’essai.

– Système d’essai : ostéoblastes humains (HAB) provenant d’os alvéolaire humain.

Les HAB sont des cellules matures exprimant un phénotype ostéoblastique spécifique défini par l’adhésion et la croissance cellulaire, l’activité de la phosphatase alcaline, la synthèse du collagène de type I.

– Protocole :

>> Adhésion cellulaire (3h, 6h) et prolifération (1 à 27 jours)

>> Activité de la phosphatase alcaline (ALP) (3, 15 et 27 jours)

>> Étude SEM.

 

Cf tableau : “cell proliferation (HAB)”

Une légère augmentation (+12 %, P < 0,02) de l’adhésion cellulaire est observée par rapport au contrôle négatif à 3 h. Les HAB ont mieux proliféré sur le composite que sur le contrôle négatif. A 27 jours, la densité cellulaire est 17 % (P < 0.01) plus élevée que sur le contrôle négatif.

Cf tableau « Alcaline phosphatase activity ALP »

A 27 jours, une augmentation significative (+21 %, P< 0,01) de l’activité ALP, une enzyme spécifique de la différenciation des ostéoblastes, est observée.

Cf photos “cell adhesion by SEM”

En résumé,

L’adhésion, la croissance et l’expression du phénotype des ostéoblastes alvéolaires humains matures (ALP) sont légèrement améliorées  » in vitro  » en contact direct avec le composite, ce qui suggère une stimulation de la différenciation des ostéoblastes et un processus d’ostéoconduction  » in vivo « .

Etude de cytocompatibilité :

Deuxième étude

But de l’étude : évaluer in vitro si la différenciation des cellules souches ostéogéniques est stimulée, ou inhibée, en contact direct avec les matériaux testés, cpTi (poli) ou composite PEEK.

Système d’essai : cellules souches mésenchymateuses humaines provenant de la moelle osseuse (hBMS).

Les hBMS sont des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse qui contribuent principalement à la guérison des os par un processus de différenciation vers un phénotype ostéoblastique mature.

Protocole :

– Synthèse du collagène (24 heures)

– Activité de la phosphatase alcaline (ALP) (24 heures)

Cf tableau

La différenciation des cellules souches mésenchymateuses de moelle osseuse humaine (hBMS) est plus élevée sur le composite PEEK que sur le cpTi. L’activité de la phosphatase alcaline (ALP) est augmentée de 72 % (P < 0,001) et la synthèse du collagène (90 % de la matrice extracellulaire organique) est augmentée de 52 % (P < 0,01).

 

Pour résumer,

Les cellules souches mésenchymateuses de moelle osseuse humaine semblent subir un processus de différenciation plus efficace vers un phénotype ostéoblastique mature lorsqu’elles sont cultivées en contact direct avec le composite PEEK que lorsqu’elles sont cultivées sur du titane.

Ceci est très favorable aux processus de guérison osseuse et d’ostéoconduction  » in vivo ».

 

CONCLUSION GÉNÉRALE DES ÉTUDES IN VITRO

Ces études in vitro suggèrent un potentiel ostéoconducteur pour ce composite PEEK.

Ceci est confirmé in vivo chez le lapin (implantation osseuse) et chez l’homme (application clinique).

 

Deuxième partie

Étude in vivo chez le lapin

(implantation osseuse)

PROTOCOLE

– Matériaux d’essai : composite, cpTi et PEEK (2 mm de diamètre, 6 mm de longueur).

– Système d’essai : 15 lapins blancs de Nouvelle-Zélande. 5 animaux sont sacrifiés à 4, 12 et 24 semaines.

– Insertion des matériaux d’essai dans des diaphyses fémorales percées, perpendiculaires à l’axe du fémur des lapins.

– Préparation des segments osseux contenant les implants pour une analyse MEB afin de caractériser le contact os-implant (BIC).

– Etude réalisée à l’Ecole Nationale Vétérinaire de Nantes.

 

IMPLANTATION DE DIAPHYSES FEMORALES (cpTi)

A 4 semaines, on peut observer une nouvelle couche osseuse irrégulière en contact avec l’implant en titane. L’histologie (non montrée) a confirmé ces résultats.

Cf photos

 

 

IMPLANTATION DE DIAPHYSES FEMORALES (composite PEEK)

Après 4 semaines, un nouveau tissu osseux entoure l’implant en composite PEEK, comblant l’espace entre le matériau d’essai et l’os récepteur (ostéoconduction). L’histologie (non représentée) a confirmé ces résultats. On peut observer une apposition par « invagination » de l’os nouvellement formé le long de la surface du composite PEEK sans aucune interposition de tissus mous.

 

Pour résumer :

– des résultats comparables sont obtenus pour le composite PEEK et le cpTi ;

– Le composite PEEK et le cpTi induisent tous deux une augmentation de l’épaisseur de l’os en contact direct, accompagnée d’une apposition d’os tissé (4w), puis d’os lamellaire le long de la surface de l’implant (12w et 24w).

Cependant l’ostéogenèse semble favorisée au contact du composite PEEK.

Ces résultats in vivo confirment les résultats in vitro et démontrent le potentiel ostéoconducteur du composite PEEK.

 

Troisième partie

Aspects cliniques

Implants marqués CE

2 types d’implants :

# les implants monoblocs insérés par press-fit et conçus en fonction de la classification osseuse :

– THETA -> D1-D2

– TAU -> D3-D4

– IOT -> Tout type d’os, et

# un implant deux pièces (PHI) inséré par press-fit et vissé d’un quart de tour.

Cf photos implants

 

L’ETUDE DE BIOCOMPATIBILITE réalisée selon la norme ISO 10993 ( » Evaluation biologique des dispositifs médicaux – Partie 1 : Evaluation et essais dans le cadre d’un processus de gestion des risques « ) a montré que ces implants satisfont

aux exigences de la norme.

– Cytotoxicité (ISO 10993-5 : « Essais concernant la cytotoxicité in vitro »)

– Toxicité systémique aiguë chez la souris (ISO 10993-11 : « Essais de toxicité systémique »)

– Irritation intradermique (ISO 10993-10 : « Tests d’irritation et de sensibilisation »)

– Sensibilisation (ISO 10993-10 : « Tests d’irritation et de sensibilisation »)

– Génotoxicité (ISO 10993-3 : « Tests concernant la génotoxicité, la cancérogénicité et la toxicité pour la reproduction ») :

– Test d’Ames (OCDE n 471 : « Test de mutation inverse bactérienne »)

– Aberrations chromosomiques à l’aide de lymphocytes humains (OCDE n 473 : « Essai in vitro sur les aberrations chromosomiques chez les mammifères »).

– Échanges de chromatides sœurs à l’aide de cellules CHO (OCDE n 479 : « Genetic toxicology : Essai in vitro d’échange de chromatides sœurs dans des cellules de mammifères »).

 

Caractérisation mécanique

Les implants ont été caractérisés mécaniquement par des essais de fatigue statique et dynamique dans les conditions les plus défavorables,

Cette étude a été réalisée en conformité avec la norme ISO 14801

« Dentisterie – Implants – Essai de fatigue dynamique pour les implants dentaires endo-osseux « .

 

LNE (Laboratoire National d’Essai) Report n° 91247-2014

From ISO 14801

 

3 cas cliniques

cf photos Cas n°1 : En raison de la radio transparence de l’implant, une visualisation claire des tissus environnants est obtenue.

Six mois après l’implantation, on peut observer de l’os cortical entourant toute la surface de l’implant.

Notez l’excellente biointégration et la qualité de la muqueuse péri-implantaire.

Cf photos Cas n°2

Cf tableau cas n°3 : Étude rétrospective de dix ans de suivi de 600 implants (PEI : 80 % et HBI : 20 %) montrant le taux de survie cumulé (%) pour l’implantation post-extractionnelle (PEI), l’implantation après cicatrisation osseuse (HBI) et le pourcentage d’échec de l’implant (IF).

 

CONCLUSION GÉNÉRALE

Les résultats in vitro et in vivo présentés ici montrent des propriétés ostéoconductrices évidentes du composite PEEK.

Ces résultats expérimentaux sont confirmés par le développement réussi d’une application clinique dans le domaine de l’implantologie orale.